人教新教材“细胞的能量“货币”ATP”教学参考

人教新教材“细胞的能量“货币”ATP”教学参考

一．ATP为什么不叫高能磷酸键

ATP是一种高能磷酸化合物

“高能磷酸键”这个术语长期被用来描述ATP水解反应时被断开的P～O键，这是不对的，这种表述错误地暗示键自身含有能量。事实上所有化学键的断开都需要能量的输入。磷酸化合物水解释放的能量（自由能）并不是来自于某个具体被断开的键，它来自于产物比反应物具有更少的能量（自由能）。

ATP中四个负电荷相距很近且相互排斥，这是ATP不稳定的重要原因。ATP水解时，释放末端的磷酸基团会消弱相邻负电荷之间的互斥作用，同时脱下来的磷酸基团也更加稳定。这样ATP水解后的产物中所含有的能量（自由能）就比ATP低，这部分能量差就被释放出来。由于1mol ATP水解释放的能量较高，所以ATP是高能磷酸化合物。

二．萤火虫发光的原理和意义

萤火虫不论雄性的还是雌性的，夏秋的夜晚都会一闪一闪地发光。雄虫比雌虫的个体小一些，但发出的闪光却亮一些。萤火虫发出的闪光，主要是求偶的信号，用来吸引异性前来交尾。萤火虫有许多种，如平家萤火虫、姬萤火虫等。不同种类的萤火虫会发出各自特定的闪光信号。雌虫看到飞舞着的同种雄虫发出的闪光信号后，就会以特定的闪光信号回应。雄虫的每一组闪光信号是由几个节奏组成的，每个节奏都包括闪光的次数、闪光的频率和每次闪光的时间，这些都是雌虫能够识别的。如果雌虫顺利地回应了闪光信号，则雄虫就会前来交尾，以繁衍后代。有的科学家准确分析

出某种雄性萤火虫的闪光规律后，用手电筒模拟这种闪光信号，竟然发现同种的雌虫会迎光而来。

有趣的是，雌虫看到其他种类雄虫的闪光信号后，有时竟能发出该种雌虫的闪光信号，这种闪光信号具有欺骗性，能使该种雄虫误以为可以前去交尾而被雌虫吃掉。雌虫的这一特性，可以使自己获得丰富的营养。这种现象被科学家戏称为“死亡拥抱”。此外，萤火虫发出的荧光还具有一定的警戒作用和照明作用。

萤火虫的发光器官位于腹部后端的下方，该处具有发光细胞。发光细胞的周围有许多微细的气管，发光细胞内有荧光素和荧光素酶。荧光素接受ATP提供的能量后就被激活。在荧光素酶的催化作用下，激活的荧光素与氧发生化学反应，形成氧化荧光素并且发出荧光。顺便说到，荧光是一种冷光，其发光效率可高达98%左右，而热光则发光效率低得多，如太阳的发光效率只有35%左右。

三．指向核心素养的“深度学习”教学实践

深度学习也被称为深层学习，最初是由美国学者伦斯・马顿(FetenceMarton)和罗杰・萨尔乔(Roger Saljo)提出的，是一种基于理解的学习。对学生而言，不是指待学内容的难度和深度，而是对知识的深度理解、主动加工、自我评判和不断反思，并以对真实情境中问题的解决为目标，去促进高阶思维的发展。学生在把握学科核心知识的过程中，以挑战性和创造性的内容为主题，整合已有的知识内容，全身心投入，感受喜悦，收获成功的学习过程。学生能够理解知识的内涵及掌握科学的思维方法，形成有效的学习动机、积极的社会情感和正确的价值观，成为具有合作意识、创造性、批判性、基本功扎实的优秀学习者，成为未来社会发展的主人。本文以人教版必修1教材中“细胞的能量通货一ATP”为例，围绕“本质与延伸”“活动与体验”“联想与应用”“迁移与评价”这四个深度学习的特征，论述深度学习中如何培养学生的生物学学科核心素养。

1 在本质与延伸中培养生命观念

“本质与延伸”是深度学习的属性特征，回答的是对学习的内容如何处理，要求学生能够把握知识之间的内部关联。对教学的内容，要求学生能够抓住本质属性，对知识点不是孤立地掌握，对事实性知识也不是仅停留在记忆层面，而是对学习的对象通过“探究” “质疑”“正推” “反推” “演绎”和“拓展”，提升深度加工的能力与意识。在对知识内化的基础上，通过情景体验和对知识的延展，能够在学生的已知和未知之间搭建支架，努力使学习的结果外显化，让教与学的活动服务于将来的社会实践。

教师呈现资料：ATP在生物体内浓度很低，人剧烈运动过程中，每分钟消耗的能量约为0.5 kg的ATP分解释放的能量。正常休息状态下，人体肌肉内的ATP含量只能供肌肉收缩1 ~2 s，而每天消耗和生成的ATP达40 kg。引导学生分析得出：ATP在细胞中转化快但含量少，说明ATP与ADP的相互转化为机体的生命活动提供了用之不竭的能源物质，其物质的变化往往伴随着能量的变化。接着提问：ATP供能在物质上如何变化？为什么高能磷酸键易断裂？笔者把磷酸和磷酸之间的高能磷酸键比喻为“弹簧”，磷酸基团理解成磁铁的两个正极，由于同性相斥，相同极性的两端不易靠近，断裂时释放的能量会更多。接着从ATP的结构模型出发，如果ATP 中的两个高能磷酸键全部水解，水解后的产物是AMP，引导学生进一步理解AMP是RNA的基本单位之一，形成科学的物质与能量观。开放的生命系统时刻发生着物质的变化和能量的转换，但多数情况下能维持相对稳定，由此引出下一个问题：ATP在细胞中如何维持相对稳定？学生讨论后，通过视频展示第一种机制是机体中能量储存的另外一种形式——磷酸肌酸。当消耗ATP 时，ADP就随之增加，磷酸肌酸在肌酸激酶的作用下把“~P”转移给ADP再生成ATP，为生物体的各项生命活动提供能量。接受ATP中“~P”的肌酸重新形成磷酸肌酸，完成能量的储存。第二种机制是当剧烈运动等消耗ATP过多时，会导致ADP的大量积累，这时腺苷酸激酶催化2分子的ADP形成1分子的AMP和1分子的ATP,此过程中AMP 也会在腺苷酸激酶的作用下接受“~P”形成ADP。此时有学生提岀：ATP的水解和ATP 的生成是可逆反应吗？笔者把问题顺势抛给学生:你认为其符合可逆反应的条件吗？比如反应的条件相同吗? 能量的来源和去路相同吗？学生立刻就

能领会。通过对ATP这种维持稳定机制的学习，学生形成科学的稳态与平

衡观。

2 在活动与体验中培养科学思维

“活动与体验”是深度学习的核心特征。这里的活动不是简单的肢体活动，而是学生之间的合作互助，任务完成过程中彼此的信任，对问题讨论的相互启迪，学生全身心投入，参与对知识的体验、发现、探索、认知和形成过程，让学生真正成为教学活动的主人。在“活动与体验”中深度学习是鲜活的、有温度的活动，在活动中能有效培养学生的科学思维。

笔者给各小组提供一个透明袋，内含不同颜色的带软磁铁的塑料片：磷酸5个、腺瞟呤3个、核糖2个、脱氧核糖1个，细铁丝若干，让学生自己动手制作ATP的结构模型、RNA与DNA的基本组成单位模型。用细铁丝作为连接的化学键，把细铁丝弯曲折叠成螺旋状代表“高能磷酸键”，然后请每组推荐一个代表在讲台上展示本小组构建的3个模型。再让不同小组的学生两两比较这3个模型，用 ATP的结构模型引导学生观察教材P. 88上ATP 的结构式，启发学生用已学的化学知识思考：ATP 中核糖和磷酸之间的氧原子究竟是核糖的还是磷酸的？高能磷酸键中“键”本身含有很高的能量，还是高能磷酸键断裂形成新的化学键时释放出大量能量？让学生自己去发现ATP中的“A”、DNA 链中的“A”以及RNA链中的“A”有何区别，通过小组讨论明确“A”的本质。有学生提出，既然ATP 中的A是由核糖和腺嘌呤构成的，那能不能把腺嘌呤换成鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)甚至尿嘌呤(U)呢？也就是说，会出现GTP，TTP，CTP，UTP吗？在动手体验中，学生的思维彻底被打开，教师及时评价学生的提问，并给他们的积极思维“点赞”，明确细胞中能量的直接供应者最常见的、最主要的是ATP，其他的核苷三磷酸会根据机体自身的调节，在不同的反应中参与能量的传递。通过对问题的分析，促进了学生深层次的思考和对问题属性的探究，在基于事实推理的基础上培养了学生的科学思维素养。

3 在联想与应用中感悟科学探究

“联想与应用”是深度学习的基本特征，学生往往会调动以前的知识和经验来促进对新知识的内化和学习，并把已有的知识和现学的知识想办法建